低温控制信号可以克服量子计算机的可扩展性障碍

光子盒研究院出品

芝加哥大学的计算机科学家和物理学家合作，通过研究如何在制冷机内产生控制信号，突破了大规模量子计算的关键障碍之一。

目前量子芯片必须储存在稀释制冷机内的极低温下，但在室温下由经典控制器的信号控制。这种设置所需的成本和硬件限制了该技术的可扩展性，而这对于获取这项新技术在密码学、分子模拟和其他应用方面的巨大潜力是必要的。

芝加哥大学研究团队利用超导单通量量子(SFQ)脉冲(在制冷机内部产生的电压信号)演示了低错误双量子比特操作，该成果是实现大规模通用量子计算的重要一步。

这项跨学科的研究是美国国家科学基金会(NSF)在计算领域的一个探索项目——实用规模量子计算(EPiQC)项目的一部分。这项研究最近发表在2021年IEEE量子计算与工程国际会议上，并获得了最佳论文奖。本文的作者是Mohammad Reza Jokar、Richard Rines和Frederic Chong。

超导量子计算是实现量子计算机的领先技术之一。近年来，由于产业界和学术界的努力，基于这项技术的小型量子计算原型机已经制造出来，最高约100个量子比特。这些原型机的量子芯片位于毫开尔文温度的稀释制冷机内，量子操作通过在室温下从经典控制器发送每个量子比特的微波控制信号来执行。

但由于在室温下产生微波信号并使用同轴电缆将其路由到量子芯片的巨大能量成本，这种控制方法具有严重的可扩展性挑战。

为了应对这些可扩展性挑战，文献中提出的一种解决方案是在量子制冷机内本地生成和路由控制信号。SFQ是一种经典逻辑技术，可以在量子制冷机内以非常低的功耗运行，从而使制冷机内控制器具有最大的可扩展性。

先前的工作使用遗传算法来寻找SFQ脉冲序列，使用SFQ脉冲实现单量子比特操作，具有低错误。然而，基于SFQ的双量子比特操作的研究却很少，这对于实现通用量子计算至关重要。

芝加哥大学的研究人员发现，由于量子比特的非计算子空间的高泄漏(leakage)，实现基于SFQ的双量子比特门很有挑战性。在这里，计算子空间包含了量子比特的前两个能级，泄漏是在门的末端以更高的能级测量量子比特的概率。

芝加哥大学的博士生、论文的合著者Mohammad Reza Jokar说：“通过仔细设计量子系统并优化软件和硬件，实现基于SFQ的低泄漏双量子比特门是可能的。”

先前基于SFQ的单量子比特操作的工作集中在最小化量子门末端的泄漏，从而实现低泄漏门。然而，这种策略并不适合基于SFQ的双量子比特操作。芝加哥大学的研究人员发现，如果在执行基于SFQ的双量子比特操作期间不主动抑制泄漏，泄漏就会发生，而他们的模型无法捕捉到泄漏。

因此，在软件层面，该团队改进了现有的量子最优控制方法，通过模拟一个额外的能级，并在应用每个SFQ脉冲后惩罚该能级的泄漏，主动抑制量子门过程中的泄漏。

此外，研究人员扩展了解空间，并接受了精确到单量子比特绕Z轴旋转的解；这种解是可以接受的，因为Z旋转通常可以通过后续操作进行转换或虚拟实现。通过扩展解空间，他们能够找到具有较低泄漏的SFQ脉冲序列。

在硬件层面上，研究人员研究了不同的量子比特架构的潜在优势。除了transmon这一广泛使用的量子比特，他们还研究了具有高非谐性的fluxonium，可以自然抑制泄漏。他们还研究了用电感耦合代替电容耦合的影响，表明它可以帮助实现低泄漏和短量子门时间的双量子比特门。最后，他们研究了翻转角的影响，这是一个决定每个SFQ脉冲能量沉积量的参数。更小的翻转角允许对SFQ脉冲序列进行更精细的控制，这有助于实现更低泄漏的更好的量子门。

一种实现基于SFQ的低泄漏双量子比特门的新硬件/软件策略可以帮助克服当今量子计算机的可扩展性障碍。

研究结果表明，通过精心设计一个SFQ友好的量子系统，实现门错误和门时间与微波门类似的基于SFQ的双量子比特门是可能的。这些结果表明SFQ是一种很有前途的量子控制方法，因为它可以提供可扩展性和低错误的量子操作。

Jokar说：“我们研究了实现基于SFQ的双量子比特门的实际意义，下一步的一个关键步骤是设计制冷机内控制器架构，以便拥有完整的控制器系统。”

参考链接：

[1]https://ieeexplore.ieee.org/document/9605311

[2]https://phys.org/news/2022-01-in-fridge-scale-quantum.html

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